Pr. Salah Bouhlel
Cours Géologie Faculté des Sciences de Tunis Unversité Tunis El Manar Salah Bouhlel  
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4. Alteration des roches encaissantes
1        Alteration des roches encaissantes (wall-rock alteration)
1.1       Introduction
 
Les roches qui encaissent une minéralisation d’origine hydrothermale montrent souvent les effets de réactions chimiques produisant des modifications minéralogiques. Ces réactions témoignent de la tendance des fluides chauds en circulation à s’équilibrer avec les roches traversées.
On nomme ces modifications provoquées par la circulation de fluides hydrothermaux dans une roche "altération hydrothermale".
 
Circulation de fluides hydrothermaux dans une roche ===>   nouveaux   équilibres ===> altération hydrothermale
 
Cette altération peut avoir lieu à des températures de la surface et produire les sols (processus observé dans les latérites) ou à des températures plus élevées qui peuvent aller de <100°C à > 500°C sous l'interaction avec les fluides hydrothermaux => altération hydrothermale.
 
Dans la majorité des gisements métallifères formés par des fluides hydrothermaux, les modifications en minéralogie et textures des roches encaissantes dépassent en extension le gisement lui-même.
 
Elle peut être définie comme la conversion d'une association minérale originelle en une nouvelle association minérale qui est plus stable sous les nouvelles conditions de température-pression et surtout de la composition d'un fluide hydrothermal qui traverse la roche. Les texture et structure originelles peuvent être légèrement ou complètement modifiées par l'altération hydrothermale.
 
Cette altération hydrothermale peut être très utile pour trois buts:
 
-   1) comme guide d'exploration,
-   2) comme aide pour connaître le caractère chimique des solutions hydrothermales et leur sources, et
-   3) pour connaître l'évolution du système hydrothermal.
 
 
L’altération hydrothermale comprend la recristallisation d'une roche originelle dans une nouvelle roche stable sous des conditions nouvelles, sous l’effet de fluides transportant des constituants chimiques. 
 
L'altération hydrothermale suppose que de grandes quantités de fluide traversent les roches et que celles-ci ont une perméabilité considérable sous forme de fissures ou d'espaces poreux interconnectés. Il en résulte des rapports fluide/roche et des quantités de fluides transportés importants. De plus, les fluides hydrothermaux sont souvent en déséquilibre avec les roches qui les entourent.
Le transport de matériaux qui interviennent lors de l'altération hydrothermale peut avoir lieu ou par infiltration (mouvement de masse dû au flux d'un fluide à travers la roche), ou par diffusion (transport par diffusion d'espèce chimique à travers des fluides stagnant dans des pores). Normalement, il y aura combinaison de deux processus.
 
Du point de vue de l'intensité de l'altération, on peut distinguer entre altération pervasive" et "non pervasive".
 
L'altération pervasive est caractérisée par le remplacement de tous - ou presque tous - les minéraux originaux de la roche. Les textures et structures originelles sont partiellement ou totalement détruites.
 
Dans l'altération "non pervasive", seuls certains minéraux sont remplacés. Par ex. la chlorite remplaçant la biotite, ou la séricite remplaçant le plagioclase. L'altération non pervasive affecte seulement certaines parties de la roche, comme par ex. les bords des fractures ou de filons.
 
1.2       Réactions entre roches encaissantes et fluides
 
Les produits et les effets des altérations hydrothermales sur les roches encaissantes sont gouvernés par :
ü Les types de réaction d’altération
ü La composition du fluide hydrothermal
ü La composition des roches encaissantes
ü La pression et la température environnantes
Les réactions les plus importantes dans les phénomenes d’altération sont :
ü Réactions d’hydrolyses
ü Hydratation-dehydratation
ü Métasomatisme alalin
ü Decarbonatation
ü Silication
ü Silicification
ü Oxydation-réduction
Et aussi un certain nombre de réactions d’addition ou de remobilisation comme : carbonatisation, desulfidation, sulfidation, fluoridation.
 
1.2.1       Réactions d'hydrolyses
 
On appelle réaction d’hydrolyse, le phénomène par lequel K+, Na+, Ca2+, Mg2+ et d'autres cations sont transférés du minéral à la solution et H+ entre dans la phase solide.
Ces réactions contrôlent la stabilité des feldspaths, micas et minéraux d'argile
Les réactions d'hydrolyse sont favorisées par des conditions de pH bas.
 
 
 
a)      Métasomatisme par H+ de roches silicatées
 
la stabilité des feldspaths potassiques et des muscovites à la température d'env. 300° est contrôlée par les réactions suivantes:
 
                   3 KAlSi3O8        +   2H+ (aq)<===> KAl3Si3O10 (OH) 2+ 3 SiO2   + 2 K+            (1)
               feldspath potassique                               muscovite (séricite) +   quartz (cristallin
                                                                                                                                              ou aqueux)
 
ou          
 
                3 NaAlSi3O8  + 2 H+ + 3/2 H2O <===> 3/2 Al2Si2O5 (OH) 4 + K+               (2)
                          albite                                                                                 paragonite
 
Les réactions de ce type sont ceux qui se marquent dans la figure 5.1 les limites entre K-feldspath (ou Na feldspath) et la muscovite (ou paragonite) à l’équilibre avec un fluide D.
 
Dans ces réactions, il est important de noter que la consommation de H+ pour altérer les feldspath en muscovite, affecte le pH du fluide et le degré de la dissociation des composés hydrogénés incluant HCl. En retour, ceci affecte le degré de l’association de NaCl, KCl, et complexes chlorurés métalliques, et la solubilité des métaux en solution.
Donc l’hydrolyse des feldspaths est intimement liée aux caractéristiques de transport et de dépôt qu’a un fluide.
 Cet exemple montre donc l’interdépendance entre l’altération et la minéralisation.
La réaction des métaux avec (HS) - pour produire des sulfures libère H+ C’est pourquoi la minéralisation peut causer une altération.
De plus, l’hyrolyse contrôle la transformation de la muscovite en kaolin (vers la gauche dans la partie inférieure de la fgure 5.1), suivant la réaction : 
 
2 KAl3Si3O10 (OH) 2 + 2 H+ (aq) + 3/2 H2O <===> 3 Al2Si2O5 (OH)4 + 3 SiO2   + 2K+ (aq)             (3)
     muscovite                                                                                            kaolinite
 
On peut voir de cette réaction que K+ est transféré à la solution et que H+ est consommé (==> une zonation se produira à mésure que le H+ est consommé)
 
Donc la stabilité des feldspaths, micas, et argiles - et le transfert en solution de K+, Na+, Ca2+, Mg2+, et autres cations, à partir des roches silicatées- sont largement contrôlés par des réactions d’hydrolyse.
 
b)      Métasomatisme par H+ de roches silicatées avec présence de S
 
11 Fe2SiO4 + 2SO42-   + 4H+ =   7Fe3O4   +   FeS2 + 11SiO2 + 2H2O;
     fayalite                                                   magnétite     pyrite
 
c)       Métasomatisme par H+ de roches carbonatées
 
CaCO3 + 2H+ = Ca2+ + CO2 + H2O.
 
Le CO2 pourra former dans d'autres parties du H2CO3. Sa dissociation pourra produire un nouveau métasomatisme par H+ de silicates...
 
1.2.2       Hydratation- Déhydratation
 
L’hydratation signifie la soustraction d’une molécule d’eau d’un fluide et son addition à un minéral et la déhydration est la soustraction d’une molécule d’eau et son ajout à un fluide.
 
La réaction 2 donnée ci-dessus invoque les deux réactions : déhydratation et hydratation 
 
Une réaction similaire très importante dans les altérations sur les fonds marin est :
 
2Mg2SiO4 + 2 H2O <===> Mg3Si2O5(OH)4 + Mg2+                                                                                (4)
                olivine                                     serpentine
 
Une réaction à basse température, plus accessible à l’observateur est l’altération de l’hématite :
 
 Fe2O3 + 2H2O   <===> 2Fe (OH) 3                                                                              (5)
    Hématite                                   Goethite
 
La dehydration occure normalement avec l’augmentation de la pression et de la température régnant autour d’un cortège de minéraux d’altération. Un excellant exemple est :
 
Al2Si2O5(OH)4 + 2 SiO2 <===> Al2Si4O10(OH)4+ 2H2O                                                    (6)
 Kaolinite                  quartz                     pyrophyllite
 
Autre exemple : formation du talc
2Fe2SiO4 + 3H2O   = Fe3Si2O6(OH) 4 + Fe2+ + OH- + H+
                               serpentine ou talc
 
1.2.3       Métasomatisme et échange des cations de base (" Base Exchange")
 
Les réactions où il y a échange de cations entre la solution et un minéral sont appelées réactions d'échange de cations de base ("base exchanges").
 
Un exemple typique est l'albitisation d'une microcline:
 
KAlSi3O8 + Na+ = NaAlSi3O8 + K+
                   microcline                           albite
 
1.3       Nomenclature des altérations hydrothermales
 
Il s’agit d’une suite d’altérations de plus en plus poussées dites propylitiques à potassiques
communes aux roches aluminosilicatées principalement observées dans les gîtes de porphyres, mais associées également à une grande quantité d’autres gisements hydrothermaux . 
 
Lorsqu’un système hydrothermal est en relation à une intrusion magmatique, et qu’il évolue vers des pressions et des températures plus basses, le rapport des activités aK+/aH+ diminue, c'est-à-dire que l'acidité de la solution hydrothermale augmente.
 
Pour cette raison, les types d'altération associés au processus de métasomatisme par H+ vont être traités dans l'ordre d'acidité croissante, c'est-à-dire rapport décroissant des activités aK+/aH+.
 
 
 
 
 
Fig. 4.1: Schema of idealised evolutionary alteration sequence. A Illustrates types of alteration as a function of temperature, K+ and H+ activities (After Guilbert and Park, 1985); Burnham and Ohmoto, 1980).
 
 
Fig. 4.2: Metasomatism liberates H+, resulting in decreasing alkali/H+ ratios, and subsequent destabilisation of feldspars and micas, with growths of new mineral phases (greisen and phyllic stages). Advanced H+ metasomatism is due to meteoric water input into the system, with oxidation and further H+. Acid leaching and argillic alteration result from this stage (Pirajno,1992).
 
D’une façon schématique, avec le métasomatisme de H+ croissant (ou rapport décroissant aK+/aH+) les altérations suivantes se produisent (Figures 5.1 et 5.2 et tableau 5.1):
 
1)      potassique,
2)      propylitique,
3)      phyllique ou séricitique et greisenisation,
4)      argilique,
5)      argilique avancée
6)      greisenisation,.
 
 
1.3.1       Altération potassique ou Métasomatisme alcalin
Assemblage minéralogique : Les paragenèses d’altération formées lors de ce métasomatisme alcalin sont dominées par du feldspath potassique, + biotite, +-  albite, +- muscovite.
 
Phénomènes : Ce type d'altération a lieu à des températures comprises entre 800 et 6000C et résulte typiquement de l'interaction d'un fluide résiduel qui a évolué d'une intrusion ignée proche avec l'encaissant. Puisqu'il s'agit d'un fluide résiduel magmatique, il est très salin. Le pH approche la neutralité.
 
1.3.2       Altération propylitique
 
Assemblage minéralogique : Présence d'épidote et/ou de chlorite, sans lessivage significatif des cations tels Na, Ca, K,etc. H2O, CO2 et S peuvent être ajoutés à la roche.
 
L'altération propilytique se caractérise par l'addition de H2O, CO2 et localement S. Un très léger métasomatisme de H+ peut exister. Typiquement, il se forme de l'épidote, chlorite, carbonate, albite, feldspath potassique et pyrite. Vers l'extérieur d'un système hydrothermal, l'altération propylitique peut montrer des transitions vers des roches non altérées.
 
1.3.3       Altération phyllique (ou séricitique)
 
Assemblage minéralogique : La séricite domine l'assemblage d'altération, des argiles résiduelles peuvent être présentes.
L'altération phyllique ou séricitique se caractérise par l'association de quartz-séricite-pyrite. Il peut aussi se former du feldspath potassique, kaolinite, calcite, biotite, rutile, anhydrite et apatite.
 
L'altération séricitique est présente dans presque tous les systèmes hydrothermaux. On peut considérer qu'elle est due, à la base, à la déstabilisation des feldspaths en présence de H+ (c'est-à-dire conditions acides), (OH)-, K, et S pour former du quartz, muscovite-séricite et sulfures, donc surtout de la pyrite.
 
1.3.4       Altération argilique intermédiaire
 
Quantités importantes de d'argiles amorphes, de kaolinite, ou de montmorillonite qui
remplacent principalement le plagioclase. La séricite peut être présente, lessivage du Ca, Na,Mg.
 
L'altération argilique est caractérisée par la formation de minéraux d'argile, dus à un métasomatisme intense de H+ (c'est-à-dire lessivage acide, en anglais "acid leaching") à des températures comprises entre 100 et 300°. Ce type d'altération peut montrer des transitions vers l'altération séricitique.
 
Typiquement, l'altération argilique est définie par la présence de montmorillonite, illite, chlorite, minéraux du groupe du kaolin et des petites quantités de séricite. Du feldspath potassique préexistant peut rester inaltéré.
 
 
1.3.5       Altération argilique avancée
 
Si l'attaque acide est encore plus intense, les feldspaths et les minéraux mafiques peuvent être complètement détruits. On parlera alors d'une altération argilique avancée ("advanced argilic alteration").
 
 L'aluminium libéré par la déstabilisation des silicates se fixe sur la forme des minéraux du groupe du kaolin, de l'alunite (KAl3 (SO4)2(OH)6) et du diaspore. En plus, barite, sulfure, topaze, tourmaline et autres minéraux d'argile peuvent se former.
 
L'altération argilique avancée est typique des systèmes hydrothermaux du type "high sulfidation". Dans certains cas, tous les minéraux sauf le quartz peuvent être lixiviés. La roche restante, constituée seulement par du quartz et rendue très poreuse par la lixiviation des autres constituants, est appelée "vuggy silica" ou "residual silica" et est typique de certains gisements épithermaux. Il faut souligner que la formation de "résidual silica" n'implique pas un phénomène de silicification, c'est-à-dire un nouvel apport de silice, puisque le quartz est résiduel.
 
Les conditions très acides caractéristiques de l'altération argilique et argilique avancée sont largement dues à l'oxydation des sulfures en produisant du H2SO4.
 
Les réactions suivantes illustrent la formation de l'alunite et de la kaolinite.
 
KAl3Si3O1O(OH)2 + 4H+ + 2SO42-         =      KAl3 (SO4) 2 (OH)6 + 3SiO2;
mica-K                                                                                        alunite
 
3Al2Si2O5(OH) 4 + 2K+ + 6H+ + 4SO42-   =      2KAl3 (SO4) 2 (OH)6 + 6SiO2 + 3H2O;
kaolinite                                                                                         alunite
 
2KAl3Si3O10(OH) 2 + 2H+ + 3H2O         =      3Al2Si2O5(OH) 4 + 2K+.
mica-K                                                                                         kaolinite
 
1.4       Greisenisation ou formation des greisens
 
La greisenisation correspond à une altération argilique avancée dominée par du quartz, muscovite, et topaze et des minéraux accessoire tels la fluorite, la tourmaline, rutile cassitérite, wolframite et la magnétite. C’est une altération caractéristique des gîtes d'étain-tungstène associés à des roches granitiques riches en halogènes.
 
Le nom de "greisen"1, ancien terme minier de Cornouailles (Cornwall), s'applique à une association grenue de minéraux d’altération qui comprend du quartz et de la muscovite, des quantités variables de topaze, tourmaline, fluorine, cassitérite, hématite, wolframite, scheelite et sulfure de Fe, Cu, Mo, Bi ainsi que d'autres minéraux.
 
1.5       Autres types d'altération
 
Tourmalinisation
 
Typique pour des fluides de haute température riches en volatiles donc Bore (exemples en skarns, cuivre porphyrique, greisen), mais aussi pour des exhalaisons submarines associés à des gisements de type "sedex" (p.e., Sullivan, Canada).
 
 
Formation du Talc
 
trémolite + 4CO2 = 2 dolomite + H2Mg3Si4O12 + 4SiO2
                                                      talc
et si les solutions sont riches en CaO de la dolomite peut se former
 
talc + 2.15CaO + 4.3CO2 = 2.15 dolomite + 0.85MgO + 4Si02 + H2O.
 
Talc, dolomite et magnésite peuvent se former directement de la serpentinite
 
2H4Mg3Si2O9+ 1.23CaO + 2.46CO2 = talc + 1.23 dolomite + 1.77MgO + 3H2O; serpentine
 
2serpentine + 3CO2 = talc + 3 magnesite + 3H2O.
 
Silication ou formation des Skarns
Altération hydrothermale liée à du métamorphisme de contact, bien développé surtout
dans les carbonates. Caractérisée par le développement de minéraux calc-silicates tels diopside, hedenbergite, wollastonite, grenat (grossulaire, andradite), actinote.
Types de réactions
 
CaMg(CO3) 2 + 2SiO2 = (CaMg)Si2O6 + 2CO2;
     dolomite                                          diopside
 
CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2.
     calcite                          wollastonite
 
Formation de dolomite en terrains métamorphiques:
 
3 calcite + tremolite-actinolite + 7CO2 = 7 dolomite + 8SiO2 + H2O
 
Formation de calcite, d’ankérite et de sidérite en terrain métamorphique
 
Actinolite - chlorite:
 
6 actinolite + 12CO2 + 14H2O = 5 chlorite + 12 calcite + 28SiO2.
 
Chlorite – carbonates de fer :
 
chlorite + 6 calcite + 6 CO2 = 6 ankérite + 4SiO2 + 4H2O;
chlorite + 6CO2                         = 6 sidérite + 4SiO2 + 4H2O.
 
Pyritisation :
 
sidérite + 2H2S + 1/2O2 = FeS2 + CO2 + 2H2O.
 
Silicification : 
 
Un des types d'altération les plus répandus.
 
Il est représenté par une addition importante de silice (généralement sous forme de quartz) dans la roche altérée.
 
Lessivage
Nom général pour toute décoloration, blanchissement de la roche causée par l'altération
hydrothermale.
Liste des cours disponibles  
  1) Minéralogie Générale (IGS3)

2) Gîtes Minéraux (Gîtes météllifères et Métallogénie) (ST3 RME ET IGS4

4) Géochimie des isotopes stables S1 du M1 (= géochimie Isotopique II dans le programme affiché)

5) Substances Utiles (industriel minerals) et ressources énergétiques pour LAGTE2 (en construction)

6) Atlas des minéraux des minerais (LAGTE2, ST3, IGS4)

7) Atlas métallographie sous miccroscope à lumière réfléchie (ST3 RME, IGS4 et autres...)

8) Inclusions fluides pour la métallogénie et la géologie des bassins sédimentaires et des réservoirs (ST3 RME, IGS 4 et MASTERS ST)


 
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